Способ определения размеров области изопланатичности турбулентной атмосферы

 

Использование: атмосферная оптика. Сущность изобретения: при определении размеров области изопланатичности турбулентной атмосферы определяют угловую скорость пробного движущегося воздушно-космического объекта, последовательно регистрируют N серий изображений объекта через временной интервал между изображениями, меньший времени "замороженности" атмосферы, и с временным промежутком между сериями, большими времени "заморожености" атмосферы, преобразуют их в спектры, совмещенные попарно в каждой серии, накапливают на одной фотопластине, фотометрируют, сравнивая величину интенсивности в центре с порогом, повторяя процедуру с изменением интервала между изображениями объекта до выполнения равенства с порогом, при этом предварительно перед всеми операциями определяют максимальный угловой размер объекта ΔΘ_o и диафрагменную апертуру телескопа до диаметра D' по соотношению Dʹ<1,22/λΔΘ_o. 2 ил.

Изобретение относится к атмосферной оптике и может быть использовано при решении задачи фильтрации (улучшения) изображения поверхности астрономических и воздушно-космических объектов, наблюдаемых через турбулентную атмосферу, а также в астрономии, геодезии и картографии. Цель изобретения повышение точности определения размеров области изопланатичности. Сущность предлагаемого способа поясняется чертежами, где на фиг. 1 и 2 даны схемы устройства для реализации предложенного способа, содержащие объект 1, турбулентную атмосферу 2, устройство 3 измерения угловой скорости движения объекта, устройство 4 измерения угловых размеров объекта, телескоп 5, диафрагму 6, узкополосный интерференционный светофильтр 7, регистрирующее устройство 8, устройство 9, задающее величину временного интервала между регистрациями, лазер 10, коллиматор 11, полупрозрачное светоделительное зеркало 12, поворачивающееся зеркало 13, зарегистрированные изображения 14 неразрешаемого объекта, линзы 15 Фурье-преобразования, зарегистрированные распределения интенсивности 16 пространственных спектров изображений неразрешаемого объекта, совмещенные попарно фотопластинки 17 с распределениями интенсивности спектров изображений каждой серии, суммарное распределение интенсивности 18, зарегистрированное в одну фотопластинку, ослабляющее устройство 19, фотометр 20, устройство 21 сравнения с порогом и устройство, вычисляющее размер области изопланатичности R_и (на чертеже не показано). Область изопланатичности может быть принципиально определена как область, в пределах которой корреляция между ОПФ любых двух атмосферных направлений превышает определенную пороговую величину. Для численного определения размера этой области R_и необходимо определить коэффициент корреляции между ОПФ двух атмосферных направлений с угловым промежутком между ними и сравнивать его с порогом 1/e 0,368. Равенство этого коэффициента величине 1/e будет означать, что в пределах соответствующего временного промежутка Δϕ = R корреляция между ОПФ падает не более чем в "e" раз и атмосферу в его пределах можно считать пространственно-инвариантной с размером области изопланатичности R_и. Для определения размеров области изопланатичности регистрируют 2N короткоэкспозиционных изображений движущегося объекта I_и, каждое из которых представляет собой свертку истинного распределения интенсивности объекта I_o, с мгновенным импульсным откликом атмосферы I_A (функцией размытия точки) с направлений ϕ₁ и ϕ₂ где "*" обозначает операцию свертки; j 1, 2, N номер серии (пары) изображений. При обосновании способа считалось, что для всех 2N соотношений вида (1) истинное изображение объекта I_o одинаково. Однако поскольку в процессе движения объекта меняет ракурс по отношению к измерительной системе, для каждой пары I^j_o отличается от I^к_o(к≠j). Для нестабилизированного или стабилизированного вращением объекта I_o может изменяться не только от пары к паре, но и между отдельными регистрациями в каждой паре, т.е. зависеть от j и ϕ одновременно. В случае, если величина углового элемента разрешения телескопа превышает угловые размеры пробного объекта, такой объект наблюдается как точечный и оптическая система формирует непосредственно импульсные отклики атмосферы. Тогда выражения (1) принимают вид Известно, что величина углового элемента разрешения телескопа диаметра D определяется выражением Δ_т= 1,22λ/D рад. (3) Очевидно, что для выполнения условия Δ_т>ΔΘ_o (4) где ΔΘ_o максимальный угловой размер объекта, необходимо, чтобы диаметр телескопа удовлетворял соотношению Dʹ<1,22λ/ΔΘ_o.. (5)
Однако апертура телескопа, предназначенного для формирования качественных изображений протяженных объектов, значительно превышает значение D'. Поэтому в целях определения размеров области изопланатичности необходимо уменьшить размеры апертуры, что легко осуществить путем установки диафрагмы с внутренним отверстием D' в плоскости входного зрачка оптической системы. Зарегистрированные изображения представляют собой не свертку импульсного отклика с истинным изображением одного из ракурсов объекта, а непосредственно импульсный отклик атмосферы. Теперь, преобразуя зарегистрированные изображения по Фурье в области пространственного спектра, получим

где пространственные спектры I и II изображений объектива в j-й паре;
ОПФ атмосферы с направлений ϕ₁ и ϕ₂;
пространственная частота. Поскольку временной интервал между регистрациями двух изображений в одной серии меньше времени t_A замороженности атмосферы, атмосферная реализация для обоих регистраций в каждой серии одна и та же и различие между ОПФ атмосферных направлений ϕ₁ и ϕ₂ определяется лишь пространственной интенсивностью атмосферы. Для ее оценки необходимо сформировать корреляцию B₁₂ между ОПФ с угловым промежутком Δϕ = ϕ₁-ϕ₂ в каждой из N серий

где нормальный коэффициент корреляции между ОПФ атмосферных направлений с промежутком Δϕ;
"*" знак, означающий комплексное сопряжение. Для определения этого коэффициента из последовательности спектров (6) необходимо перемножить попарно распределения интенсивности спектров, относящихся к одной серии (физически это достигается наложением одного транспаранта на другой)

Для получения коэффициента корреляции необходимо усреднить произведение ОПФ с двух направлений по временным атмосферным реализациям. Для этого суммируются произведения (8) для всех N пар, поскольку временной интервал Δt между сериями больше времени замороженности атмосферы, атмосферные реализации, соответствующие условиям регистрации разных серий, могут считаться независимыми, т.е. нормируя сумму на N, получим среднее значение
(9)
Суммируя распределение пространственных спектров первого изображения в N сериях, нормируя на N и возводя в квадрат, получим
(10)
Разделив (9) на (10), получим некоторое распределение интенсивности, значение которой в центре равно значению корреляции B₁₂ на нулевой пространственной частоте. Сравнивая теперь величину коэффициента корреляции B₁₂ с порогом 1/e 0,368, можно сделать заключение о том, больше или меньше угловой промежуток Δϕ размера области изопланатичности атмосферы. Поскольку Dv = vδt, где v известная угловая скорость объекта, δt - временной промежуток между регистрациями двух изображений одной серии, можно методом последовательных приближений (итерацией) определить , для которого
(11)
Очевидно, что в реальной системе сравнение должно проводиться с порогом 1/e C, где C некоторая постоянная, определяемая для данной конкретной измерительной системы путем введения в нее 2N совершенно идентичных изображений. Устройство для реализации предлагаемого способа работает следующим образом. Наблюдают пробный воздушно-космический объект 1, движущийся над турбулентной атмосферой 2 в поле зрения телескопа, с помощью устройства 3 определяют его угловую скорость, а с помощью устройства 4 максимальный угловой размер ΔΘ_o, затем ограничивают апертуру телескопа 5 диафрагмой 6 с отверстием диаметром Dʹ<1,22λ/ΔΘ_o., последовательно регистрируют N серий короткоэкспозиционных изображений неразрешаемого объекта (с интервалом Δt≅t_A между сериями), формируемых телескопом через узкополосный интерференционный светофильтр 7. Регистрация производится устройством 8, причем каждая серия состоит из двух изображений объекта, зарегистрированных через временной интервал δt<t, который задают с помощью устройства 9. Пучок лазера 10 расширяют коллиматором 11 и через систему полупрозрачных светоделительных зеркал 12 и поворачивающих зеркал 13 просвечивают 2N фотопластинок с зарегистрированными изображениями 14 неразрешаемого объекта, формируют с помощью набора линз 15 Фурье-преобразования в их фокальной плоскости 2N регистрируемых распределений интенсивности пространственных спектров изображений 16 неразрешаемого объекта. Полученные фотопластинки 17 складывают по сериям в N пар, просвечивают излучением лазера 10 и с помощью системы зеркал 12, 13 накапливают на одной фотопластинке с суммарным распределением интенсивности 18, нормируют полученное суммарное распределение интенсивности в раз с помощью ослабляющего устройства 19, фотометрируют в устройстве 20, определяя величину интенсивности в центре последнего распределения, и сравнивают ее в устройстве 21 с порогом 0,368 C (C - известная для данной измерительной системы постоянная), в случае несовпадения с порогом повторяют всю вышеописанную процедуру по итерационному алгоритму, для чего изменяют с помощью устройства 9 величину δt временного интервала между регистрациями в каждой серии, в случае совпадения с порогом вычисляют в устройстве 22 значение размера области изопланатичности R_и по формуле R_и= vδt¹, где δt¹ интервал между регистрациями, при котором достигается равенство с порогом. Положительный эффект от использования данного изобретения заключается в повышении точности определения размеров области изопланатичности турбулентной атмосферы путем исключения систематической ошибки в определении размера, вызванной паразитной декорреляцией ОПФ разных атмосферных направлений, обусловленной изменением ракурса разрешаемого пробного воздушно-космического объекта по отношению к измерительной системе.

Формула изобретения

Способ определения размеров области изопланатичности турбулентной атмосферы, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения размеров области изопланатичности, предварительно определяют максимальный угловой размер пробного движущегося воздушно-космического объекта ΔΘ_o, и диафрагмируют апертуру телескопа до диаметра D'
Dʹ<1,22λ/ΔΘ_o,
где λ средняя длина волны спектрального фильтра.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 10-2002

Извещение опубликовано: 10.04.2002        

---